Ein Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie M87

Schülerinnen und Schüler nutzen Aufnahmen und Spektren, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop gewonnen wurden, um die Masse eines Schwarzen Lochs in der Galaxie M87 zu berechnen.
 

Mithilfe des Doppler-Effekts können Schülerinnen und Schüler die Geschwindigkeit ermitteln, mit der sich Gas in einer bestimmten Entfernung um das Zentrum der Galaxie M87 bewegt. Aus diesen Daten können sie dann auf die Masse schließen. Die mit einfachen Mitteln zu erzielenden Resultate sind durchaus mit den in der Literatur publizierten Werten vergleichbar. Das vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommene Bild (links) zeigt den aktiven Kern der Galaxie, aus dem ein gebündelter Jet aus Elektronen und subatomaren Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit herausschießt.

Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler sollen

  • den Verlauf der Rotationskurven von Galaxien mit und ohne Schwarzem Loch im Kern der Galaxie erklären können.
  • mithilfe des Doppler-Effekts die Geschwindigkeit bestimmen, mit der das Gas in Abhängigkeit von der Entfernung zum Zentrum der Galaxie M87 rotiert, und daraus auf die Masse schließen.
  • die Geometrie der um das Zentrum der Galaxie rotierenden Gasscheibe (Projektion des kreisförmigen Rings als Ellipse an die Himmelssphäre) in ihre Berechnungen mit einbeziehen und dadurch ihr räumliches Vorstellungsvermögen schulen.
  • erkennen, dass die Auflösung des Hubble-Weltraumteleskops nicht ausreicht, in der Nähe des Schwarzschildradius relativistische Geschwindigkeiten nachzuweisen zu können.
  • für das Vorhandensein eines Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie neben den charakteristischen Eigenschaften der Rotationskurve noch weitere Indizien kennenlernen.

Kurzinformation zum Unterrichtsmaterial

ThemaEin Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie M87
AutorProf. Dr. Karl-Heinz Lotze, Dr. André Diesel
FachAstronomie, Astronomie AG
ZielgruppeSekundarstufe II
Zeitraumetwa 15 Stunden
Technische Voraussetzungenoptional: Computer mit Beamer (Präsentation von Bildmaterialien und Animationen), MPEG-Player zum Abspielen von Animationen (virtueller Flug zu M87 im Virgo-Galaxienhaufen)

Didaktisch-methodischer Kommentar

Das hier vorgestellte Projekt ist eine von mehreren Schülerübungen mit Originaldaten des Hubble-Weltraumteleskops, die von der Arbeitsgruppe Fachdidaktik der Physik und Astronomie an der Physikalisch-Astronomischen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena entwickelt wurden (weitere Projekte: Die Entfernung der Supernova SN 1987A und Die Entfernung der Galaxie M100). Von den mathematisch anspruchsvollen Übungen stellt das hier vorgestellte Projekt die höchsten Anforderungen an die Schülerinnen und Schüler.

  • Die Suche nach Schwarzen Löchern
    Neben der Geschwindigkeit von Sternen oder Gas im Kern der Galaxien müssen bei der Suche nach möglichen Schwarzen Löchern noch weitere Kriterien herangezogen werden.

Download

Arbeitsmaterialien

schueler_schwarzes_loch_m87.pdf
 

Informationen für Lehrerinnen und Lehrer

Zusatzinformationen

Informationen zu den Autoren

Prof. Dr. Karl-Heinz Lotze ist Leiter der Arbeitsgruppe Fachdidaktik der Physik und Astronomie an der Physikalisch-Astronomischen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Dr. André Diesel ist Diplom-Biologe und Fachredakteur für Naturwissenschaften im Projekt "Naturwissenschaften entdecken!".

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